웨어러블 기기 오래 차도 발진·홍조 안 생기는 소재 개발

고발습성 다공성 유연 폴리머 제조공정/사진=KAIST

카이스트(KAIST) 바이오및뇌공학과 조영호 교수 연구팀이 땀의 양을 뛰어넘는 발습(습기를 밖으로 내보내는) 효과를 가진 ‘다공성 폴리머 유연 소재’를 개발했다고 27일 밝혔다.

기존 피부부착형 유연 소재는 피부에서 발생하는 땀을 모두 증발시키지 못해 웨어러블(착용형) 기기를 장기적으로 피부에 부착할 때 피부 발진이나 홍조를 유발하는 단점을 갖고 있었다.

연구팀이 새로 개발한 고발습 유연 소재와 제조공정 기술은 폴리머 소재 내에 미세공극(구멍)을 균일하게 형성해 높은 수분 투과도를 가지도록 한 것이다. 유연 소재 표면에 피부의 생리 신호를 감지할 수 있는 센서들을 제작할 수 있어 상시 착용이 가능한 피부부착형 패치 개발이 가능하다.

기존의 다공성 폴리머는 설탕 등의 고형 입자를 폴리머에 혼합한 후 용액으로 입자를 녹여서 공극을 형성하는데, 고형 입자의 크기와 분포가 불균일하며 얇은 박막 형성이 불가능하다.

균일한 미세공극과 높은 수분 투과도를 가진 다공성 폴리머 단면/사진=KAIST

이에 연구팀은 고형 입자 대신 구연산 용액을 폴리머에 혼합한 후 온도조절로 용액을 결정화해 작고 균일한 입자를 분리해내고 이를 에탄올로 녹여냈다. 그 결과 공극 크기가 작고 균일하며 얇은 막 형성이 가능한 새로운 방식의 다공성 폴리머 유연 소재와 제조공정을 개발하는 데 성공했다.

연구팀이 개발한 다공성 폴리머 유연 소재는 기존 대비 공극 크기를 약 15분의 1로 줄이고, 크기 균일도를 2배로 증가시켰다. 또 스핀 코팅을 통해 21~300마이크로미터(μm) 두께의 얇은 막을 만들 수 있다. 피부의 하루 땀 발생량(432g/m2)보다 1.8배 높은 수분 투과율(770g/m2)을 가지므로 연구팀은 피부에 장시간 부착해도 피부홍조나 발진이 생기지 않음을 실험으로 검증했다.

조 교수는 “고발습 유연 소재 박막 위에 인간의 생체신호를 측정할 수 있는 센서를 집적해 상시 착용이 가능한 반창고형 감정 측정 패치를 개발하고 있다”며 “이번 연구로 피부부착형 웨어러블 소자의 착용 시간을 늘릴 수 있는 계기를 마련했다”고 말했다. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트’에 게재됐다.